截止到2013年2月，國家工信部認定的166家企業鑄造高爐共計222座，高爐容積集中于450m3以下，由于長期缺乏專業技術支持和行業規范要求，高爐系統在長壽、能耗、環保等方面與鋼鐵行業大型高爐相比存在一定差距。這些企業已意識到革新改造的迫切性。
由于鑄造工序的間斷性生產、規模小、品種多等特點，決定了其作為原料——鑄造生鐵供應環節的高爐爐容不宜過大;另外，鑄造用生鐵(GB/T718－2005)中Si含量多在1.20%以上，采用200m3級高爐可直接生產，而爐容級以上高爐一般采用爐外增硅的方式;兩種工藝各有其存在的意義，鑄造行業小型高爐(200m3級左右)的存在有其合理性，不宜按照鋼鐵行業標準一味的淘汰，而應加以科學的引導。
1 改造概述
? ? 河北春風鑄造有限責任公司是國家認定的鑄造用生鐵生產企業之一，共有2座128m3的高爐，2012年底在對號高爐進行大修改造的同時，將所配套的球式熱風爐進行升級改造(見表)。由于鑄造高爐整體行業的裝備水平落后，球式熱風爐初期送風溫度約1000℃～1050℃，后期980℃～1000℃，且風溫不穩定，已造成高爐冶煉的燃料比上升，生產成本增加，再者球式熱風爐每兩年左右都要進行耐火球的更換，不僅生產運營成本增加，而且降低了高爐生產的作業率。故本次改造遵循循環經濟的理念，節能環保，充分體現人性化的設計，充分考慮現場操作、維護的方便性等因素，為頂燃式格子磚式熱風爐在小型鑄造高爐上的應用奠定方向。
序號 ? ? ? ? 名稱 ? ? ? ? ? ? ? 球式
1 ? ? ? ?熱風爐座數 ? ? ? ? ? ?3 座
2 ? ? ? ?熱風爐直徑 ? ? ? ? ? 5200 /?4100mm
3 ? ? ? ?熱風爐總高度 ? ? ? ? ?15.32m
4 ? ? ? ?熱風溫度 ? ? ? ? ? ? ?1050℃
5 ? ? ? ?煙氣溫度 ? ? ? ? ? ? ? 250℃
6 ? ? ? ?耐火球直徑( 上部) ? ? 60mm
7 ? ? ? ?耐火球直徑( 下部) ? ? 40mm
8 ? ? ? ?每 m3 耐火球蓄熱面積( 上部) 74m2 /m3
9 ? ? ? ?每 m3 耐火球蓄熱面積( 下部) 111m2 /m3
10 ? ? ? 每座熱風爐加熱面積 ? ? 4880.6m2
11 ? ? ? 單位爐容加熱面積 ? ? ? 40.67m2 /m3
12 ? ? ? 球床斷面積 ? ? ? ? ? ? 7.55m2
13 ? ? ? 每座熱風爐裝球量 ? ? ? 96t
14 ? ? ? 球床高度 ? ? ? ? ? ? ? 6m
2 設計條件
? ? (1)原熱風爐基礎、煙囪利舊使用，其余設施、設備全部更新；
? ? (2)采用頂燃式格子磚；
? ? (3)熱風爐風溫1200℃以上。
3 設計特點
3.1 合理的爐型結構
? ? 眾所周知，熱風爐在工作時，由于爐殼與耐火材料的受熱上漲或收縮不同步，可導致耐火材料的坍塌或是爐殼的局部開裂，為了避免此類現象發生，在頂燃式格子磚熱風爐的設計時采用了三段式砌體結構，包括熱風爐爐體三段式砌體結構和蓄熱室格子磚三段式砌體結構。熱風爐爐體從上到下依次為燃燒器、燃燒室和蓄熱室三段。三段砌體采用完全脫開的迷宮式連接，各段砌體可以自由伸縮，避免各段砌體膨脹相互影響。熱風爐圓周方向為完全對稱結構，不存在外燃熱風爐拱頂聯絡管或內燃熱風爐火井大墻等非對稱結構，從根本上消除了由于非對稱結構造成不均勻膨脹而引起的破壞。
3.2 改進型的燃燒器
? ? 同類型熱風爐的陶瓷燃燒器采用普通小塊磚砌筑而成，由于小塊砌磚的整體穩定性和砌筑水平及自身材質相關，在長期送風、燃燒的操作環境下，易造成煤氣噴口磚和拱腳磚的變形、坍塌。為了防止此類事故發生，在本次設計中采用了最新的技術成果，在保留熱風出口組合磚與燃燒室錐頂拱腳磚分開處理的條件下，將拱角磚改為大塊組合磚砌筑，有效的提高了拱角磚的穩定性;同時將煤氣噴口磚由原先的小塊砌磚改為大塊組合磚，組合磚的應用有效的改善了局部的穩定性，為延長熱風爐的使用壽命奠定了基礎。
另外熱風出口處與燃燒室磚托距離較小，燃燒室大墻砌體熱膨脹上漲量很小，不會對熱風出口造成剪切破壞。
3.3 合理耐火材料選型
? ? 頂燃式格子磚熱風爐蓄熱室格子磚從上到下依次采用硅磚、低蠕變高鋁磚和低蠕變粘土磚三段式結構。通常硅磚安全工作溫度不低于800℃，而粘土磚安全工作溫度不高于1000℃，其分界面理論上設置在溫度900℃處，硅磚和粘土磚各有100℃的安全波動范圍?？紤]到蓄熱室格子磚各段高度存在設計偏差，以及熱風爐操作條件的變化，特別是頂燃式熱風爐蓄熱室格子磚總高度比內燃式熱風爐和外燃式熱風爐顯著降低，蓄熱室格子磚溫度波動范圍更大，熱風爐實際操作中很難保證硅磚和粘土磚工作溫度不超出安全界限。若格子磚采用硅磚和粘土磚兩種材質，或在硅磚和粘土磚之間只設高度很低的一段低蠕變粘土磚過渡，熱風爐適應大范圍溫度變動的能力較差，給熱風爐壽命留下隱患。頂燃式熱風爐在蓄熱室中間設置一段安全溫度更高的低蠕變高鋁磚，可以保證熱風爐操作大幅度波動情況下，始終保持各種材質都在安全工作溫度范圍內，增加了熱風爐的適應能力和安全性。
3.4 新型格子磚的應用
? ? 在通常設計時，熱風爐蓄熱室的格子磚采用的上下兩層錯臺平鋪，隨著格子磚高度的增加及格子磚在制造過程中存在的誤差，其通孔率無法達到設計要求。根據目前的國內的施工經驗，格子磚的通孔率基本維持在80%～85%左右，再加上由于高爐煤氣中的粉塵的存在會造成格子磚格孔的堵塞，由此影響熱風爐的對流換熱效果，勢必對熱風爐的送風溫度及使用壽命造成影響。
為了消除格子磚在制造、施工中的誤差造成對換熱效果的影響，本次改造采用新型環形通道的高效格子磚，該格子磚的特點是無論哪一塊格子磚發生格孔堵塞，熱煙氣流均可以通過環形通道繞過堵塞的格孔繼續向下上)流通，避免了由于某一塊格子磚格孔的堵塞，影響整體格孔的換熱效果?？杀ＷC足夠的加熱面積和熱儲存能力，使得熱風爐的爐內氣流分布更加均勻，送風溫度更加穩定。
3.5 帶橫梁結構的多孔型爐箅子
? ? 將爐箅子兩條邊支撐在橫梁上，4個角通過橫梁落在支柱上，支柱固定在爐底板上，構成了支撐格子磚的組合結構。爐箅子與橫梁及橫梁與支柱之間有鎖扣相互鎖定，兩組橫梁間有固定螺栓固定，所有爐箅子、橫梁和支柱通過鎖扣和螺栓連接成一個整體，結構穩定。這種方式可有效避免獨立支撐式爐箅子易出現爐箅子塌陷和傾斜問題。
通過改進爐箅子的孔型，不但強化了受力結構，保證了通孔率不降低，同等孔徑和孔距、同等厚度條件下，強度比梅花孔爐箅子提高31%，使得氣流的分布更加均勻，不均勻度≥5%。
3.6 雙預熱系統的應用
? ? 采用管式空氣、煤氣雙預熱換熱設施，預熱后的空氣、煤氣最高溫度可達190℃～200℃，與之前的無預熱系統相比，拱頂燃燒溫度提升了約140℃。
3.7 其他系統
? ? 所有閥門均采用電動閥門控制，可實現就地控制和遠程集中控制。改變了之前的手動操作，降低了工人的勞動強度，提高了生產效率。
4 使用效果
? ? 2013年5月，熱風爐順利投產，同期送風時間60min，風溫1250℃;送風時間90min，風溫1200℃。達到設計要求。
5 經濟效益分析
5.1 直接經濟效益分析該熱風爐總體投資約1500萬元，目前風溫為1200℃，噸鐵焦比降低50kg，現高爐日常生鐵約400t，每天節約焦炭約20t，現焦炭價格約為1200元/t(2012年5月)，每日降低焦炭成本約2.4萬元，一年降低成本2.4萬元×天=840萬元，兩年即可收回投資。
5.2 間接經濟效益分析
? ? 原球式熱風爐2年需要更換一次耐火球，費用約為100萬元，一代高爐爐役為8年，故節約400萬元。每次換球停產時間約為3天，鐵水產量400t/天，共計減產1200t，每噸生鐵0.3萬元，銷售額損失360萬元，8年換四次耐火球銷售額共計損失1440萬元。
6 結論
? ? 頂燃式格子磚熱風爐在128m3級別的成功應用，將鑄造高爐整體的裝備水平提升一個高度，打破大家對鑄造高爐的常規認識，有利于鑄造行業內的整體良性發展。
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